孙晨+许腾龙

钻头选型是否适应对钻井成本、钻井速度和井身质量有直接影响。设计者依据同一区块相关的地层资料和邻井施工资料，能够初选出合理的钻头；但对于古探1井这种超深预探井，同一区块施工井很少，可供参考的地层资料和邻井资料准确性差，施工过程就是“摸着石头过河”。因此，统计了已钻井段的地层资料和钻头使用情况后，在确定地层的条件下，对比不同钻头的钻头效益指数和磨损情况，总结出适应下古、元古生界复杂地层的钻头型号，为元古地层下部钻进钻头选型提供了依据。

关键词：钻头选型；地层岩石参数；钻头效益指数；钻头磨损分析

中图分类号：TB文献标识码：Adoi：10.19311/j.cnki.16723198.2017.30.095

在钻井施工过程中，钻头的选型是否适应钻井成本、钻井速度和井身质量的要求。施工中总是以减少起下钻次数，加快钻井速度，降低钻井成本；所选钻头既要适合地层特点又要兼顾经济效益。因此，钻井施工中恰当的钻头选型不仅可以提高机械钻速，控制井眼轨迹，实现安全高效钻井。本文在对当前常用的钻头选型方法进行简单的介绍后，选取岩石参数分析法、钻头效益指数法及针对钻头磨损分析的参数化分析法三种方法，立足长庆区块古探1井已钻井段的岩屑录井资料，通过对比不同类型型号的钻头使用效果和磨损原因，筛选出对下古、元古生界复杂地层适应性强的钻头类型。

1钻头选型方法

钻头选型要考虑的因素繁多，目前在钻头选型中主要考虑的参数有： 邻近井钻头使用资料、地层岩性、电测资料、钻具组合、钻井液性能、经济效益等。钻头选型方法有定性和定量之分，定性就是根据岩石力学参数，按照岩石力学划分岩石软硬程度，选择钻头类型、材质和构造；定量则是钻头使用效果评价法，通过钻头的使用效果作为待选钻头的选型依据；传统的钻头选型方法有每米钻头成本法、比能法和利用岩石可钻性结合钻头的IADC编码指导钻头选型。就目前我国的钻井现状，施工范围辽阔，钻头生产厂家大都有地域局限性。各个油田在长期的开发中，形成了适合本区域施工的钻头型号。但对于古探1井的施工，参考资料较少，而且资料过于久远，没有太大的参考意义。

2钻头选型主要方法及原理

岩石力学参数法是钻头选型的基础工作，适用于设计之初，利用已钻井取得的地质资料和测井资料获取地层岩石力学特性，指导钻头选型。最佳的钻头选型应考虑钻头工作效率，同时兼顾钻头的综合经济效益后，优选出成本低、进尺多、机械钻速高的钻头。因此，结合古探1井的现场实际情况，参照下古生界（奥陶系和寒武系）和在钻的元古生界（长城系）地层岩性参数，选取了地层岩石参数法、钻头效益指数法，参数化分析法进行作为钻头选型，作为长城系地层后期钻头选型的依据。

（1）钻头效益指数法：根据钻头进尺、钻头机械钻速和钻头成本3个因素的数学分析作为评价钻头的使用效果。其计算公式如下：Eb=αFR/Cb式中：Eb—鉆头效益指数；α—系数，一般取0.6；F—钻头总进尺，m；R—钻头机械钻速，m/h；Cb—钻头成本，元/只。

（2）参数化分析法：主要的分析参数有钻头基本参数、金刚石复合片的数量和大小、喷嘴参数、流道面积、保径齿参数、切削齿角度等。钻头使用后，对照钻压、扭矩和磨损情况，逐项分析磨损原因，改进钻头选型。

3钻头选型分析

基本情况：古探1井是集团公司在长庆区块布置的一口气预探井，地质构造属于鄂尔多斯盆地西缘冲断带中段，钻探目的：（1）了解主冲断层原地岩体天然气保存条件及成藏特征；（2）寻找并查明下古生界白云岩性圈闭气藏；（3）探索中新元古界与寒武系生烃能力，储层发育及成藏潜力；（4）兼探上古生界和中生界含油气情况。古探1井井深5191米，长城系设计层厚820米，钻入298米完钻。

3.1分析结果

古探1井地层岩性主要以灰质白云岩、砂质白云岩和变质石英岩为主，再参照岩石特性参数（见表1），可以判定奥陶系和寒武系为中硬到硬地层，寒武系下统徐庄组和长城系随着石英含量的增多逐渐变为研磨性地层。因此，根据地层岩石的强度级别，推荐的钻头选型依据如表1。

3.2钻头效益指数分析法

分别以地层和钻头类型为变量，比较同类钻头在不同地层的钻头效益指数和同一地层不同钻头的钻头效益指数，可以得出迪普DM665H PDC钻头对奥陶系地层白云质灰岩的适应性较强。而迪普DM565H PDC钻头和迪普DM665H 孕镶PDC钻头对寒武系泥质白云岩和白云质砂岩适应性差，钻头效益指数偏低，原因就是寒武系下统徐庄组底部石英含量增多，地层硬度和研磨性增强。对比古探1井和桃59井长城系地层的钻头效益指数，发现哈利伯顿IQ516 孕镶金刚石钻头和国民油井FT813B 孕镶PDC钻头使用效果相当，可以作为古探1井后期钻头选型的参考。

在寒武系下统徐庄组试验了PDC、三牙轮和孕镶PDC钻头，对比钻头进尺、机械钻速和钻头效益指数，江汉MD637HDY三牙轮钻头的各项指标都远远高于其他类型钻头。

3.3参数化分析法

古探1井下古、元古生界地层共使用了10只钻头，主要为PDC钻头、孕镶PDC钻头和孕镶金刚石钻头，尽管钻头型号不同，有几只钻头的磨损情况却极其相似，主要表现为牙齿磨损严重和牙齿崩碎现象。

PDC钻头选型。随着地层主要岩性从灰岩、白云岩过渡到石英岩，地层硬度级别逐渐增大到研磨性地层，钻头牙齿磨损程度也逐渐变大。在乌拉力克组-三道坎组，石英含量较低，迪普DM665H PDC钻头磨损程度只有1/8；在三道坎-徐庄组随着石英含量逐渐增至60%，钻头牙齿磨损程度达到了3/8-4/8，而且内排齿和外排齿同时磨损，说明常规PDC牙齿已经不能满足高研磨性地层钻进的需要；盛辉M616KS PDC钻头由于八刀翼刚体钻头，钻压最高加到100-120KN，尽管钻时达到500分钟一米，牙齿磨损程度却只有2/8，而迪普DM665H 孕镶PDC钻头的工作钻压在120-150KN之间。就牙齿崩碎程度而言， DM565 PDC钻头牙齿崩碎程度更大，甚至有牙齿崩掉的现象；DM665孕镶PDC钻头由于在PDC牙齿后面分别布置了一排用于切削的孕镶齿和一排用于减震的孕镶齿，钻头外排齿的崩碎程度很小，相反内排齿的崩碎程度就比较严重。因此，古探1井长城系后期施工中建议使用孕镶齿金刚石钻头，推荐型号为迪普DM585，国民油井FT813B、哈利伯顿IQ516。但是哈利伯顿IQ516钻头现场使用效果来看，机械钻速和钻头进尺明显提高，可钻头磨损严重，42.2mm的工作部分全部磨损殆尽。主要有以下几点原因：其一是孕镶齿所含金刚石颗粒比例太少，基体材料硬度不够导致磨损过快；其二是金刚石颗粒与基体材料胶结程度不够，基体材料磨损后金刚石颗粒脱落；其三是金刚石颗粒材料硬度不够，或者不适应地层高温条件，导致过快磨损；其四是钻进参数或工艺条件与钻头部匹配，导致钻头过早磨损。

牙轮钻头选型。从钻头使用效果来看，对比钻头进尺、机械钻速和钻头效益指数，江汉MD637HDY三牙轮钻头的各项指标都远远高于其他类型钻头，但是钻头只使用30小时就彻底报废，从钻头磨损情况和打捞结果来看，几乎造成一起井下事故。所以在深井和超深井钻井中，决不能在钻进过程中盲目的追求机械钻速，提前损坏钻头。也说明了牙轮钻头的使用寿命不仅受到轴承的影响，牙齿和牙轮的强度在硬地层中也极大地影响钻头的使用效果。

4结论

（1）古探1井地层属于中硬、硬地层和研磨性地层，奥陶系和寒武系上统建议使用IADC编码M/S433-M/S444型号的PDC钻头，钻头结构上首选6-8刀翼、多排齿、φ13mm复合片钻头，推荐型号迪普DM665PDC钻头、DM585孕镶PDC钻头，可以尝试8刀翼以上、φ8mm复合片PDC钻头；寒武系下统和长城系建议使用全孕镶金刚石钻头，参考型号：哈利伯顿IQ516、国民油井FT813B，从现场应用效果来看，钻头质量还有待改进。

（2）深井、超深井谨慎使用牙轮钻头，使用时严格控制钻进参数，严禁追求高机械钻速，过分强化参数损毁钻头。

（3）钻头选型综合考虑地质构造、岩性参数和钻头使用效果之后，还要选择钻井工艺条件，正确选择使用不同转速螺杆和涡轮，合理的控制钻进参数，才能实现优质、安全、高效钻井。endprint